濕敏元件百科知識

shimin yuanjian
濕敏元件
moisture sensitive element

利用濕敏材料對水分子的吸附能力或對水分子產生物理效應的方法測量濕度的元件。有關濕度測量，早在16世紀就有記載。許多古老的測量方法，如干濕球溫度計、毛發濕度計和露點計等至今仍被廣泛采用?，F代工業技術要求高精度、高可靠和連續地測量濕度，因而陸續出現了種類繁多的濕敏元件。
分類 濕敏元件主要分為二大類：水分子親和力型濕敏元件和非水分子親和力型濕敏元件。利用水分子有較大的偶極矩，易于附著并滲透入固體表面的特性制成的濕敏元件稱為水分子親和力型濕敏元件。例如，利用水分子附著或浸入某些物質后,其電氣性能(電阻值、介電常數等)發生變化的特性可制成電阻式濕敏元件、電容式濕敏元件；利用水分子附著后引起材料長度變化，可制成尺寸變化式濕敏元件，如毛發濕度計。金屬氧化物是離子型結合物質，有較強的吸水性能，不僅有物理吸附,而且有化學吸附,可制成金屬氧化物濕敏元件。這類元件在應用時附著或浸入被測的水蒸氣分子，與材料發生化學反應生成氫氧化物，或一經浸入就有一部分殘留在元件上而難以全部脫出，使重復使用時元件的特性不穩定，測量時有較大的滯后誤差和較慢的反應速度。目前應用較多的均屬于這類濕敏元件。另一類非親和力型濕敏元件利用其與水分子接觸產生的物理效應來測量濕度。例如，利用熱力學方法測量的熱敏電阻式濕度傳感器，利用水蒸氣能吸收某波長段的紅外線的特性制成的紅外線吸收式濕度傳感器等。圖1 濕敏元件的分類是濕敏元件的分類。
電解質濕敏元件 利用潮解性鹽類受潮后電阻發生變化制成的濕敏元件。最常用的是電解質氯化鋰(LiCl)。從1938年頓蒙發明這種元件以來，在較長的使用實踐中，對氯化鋰的載體及元件尺寸作了許多改進，提高了響應速度和擴大測濕范圍。氯化鋰濕敏元件的工作原理是基于濕度變化能引起電介質離子導電狀態的改變，使電阻值發生變化。結構形式有頓蒙式和含浸式。頓蒙式氯化鋰濕敏元件是在聚苯乙烯圓筒上平行地繞上鈀絲電極，然后把皂化聚乙烯醋酸酯與氯化鋰水溶液混合液均勻地涂在圓筒表面上制成，測濕范圍約為相對濕度30％。含浸式氯化鋰濕敏元件是由天然樹皮基板用氯化鋰水溶液浸泡制成的。植物的髓脈具有細密的網狀結構，有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式濕敏元件，采用兩種不同濃度的氯化鋰水溶液浸泡多孔無堿玻璃基板（孔徑平均500埃）,可制成測濕范圍為相對濕度20～80％的元件。
氯化鋰元件具有滯后誤差較小，不受測試環境的風速影響，不影響和破壞被測濕度環境等優點，但因其基本原理是利用潮解鹽的濕敏特性，經反復吸濕、脫濕后，會引起電解質膜變形和性能變劣，尤其遇到高濕及結露環境時，會造成電解質潮解而流失，導至元件損壞。
高分子材料濕敏元件 利用有機高分子材料的吸濕性能與膨潤性能制成的濕敏元件。吸濕后，介電常數發生明顯變化的高分子電介質，可做成電容式濕敏元件。吸濕后電阻值改變的高分子材料，可做成電阻變化式濕敏元件。圖2 高分子薄膜介質電容式濕敏元件結構是高分子薄膜電介質電容式濕敏元件的基本結構。常用的高分子材料是醋酸纖維素、尼龍和硝酸纖維素等。高分子濕敏元件的薄膜做得極薄,一般約5000埃,使元件易于很快的吸濕與脫濕,減少了滯后誤差,響應速度快。這種濕敏元件的缺點是不宜用于含有機溶媒氣體的環境，元件也不能耐80℃以上的高溫。
金屬氧化物膜濕敏元件 許多金屬氧化物如氧化鋁、四氧化三鐵、鉭氧化物等都有較強的吸脫水性能，將它們制成燒結薄或涂布薄膜可制作多種濕敏元件。把鋁基片置于草酸、硫酸或鉻酸電解槽中進行陽極氧化，形成氧化鋁多孔薄膜，通過真空蒸發或濺射工藝，在薄膜上形成透氣性電極。這種多孔質的氧化鋁濕敏元件互換性好，低濕范圍測濕的時間響應速度較快，滯后誤差小，常用于高空氣球上測濕。四氧化三鐵膠體的優點是固有電阻低，長期置于大氣環境表面狀態不會變化，膠體粒子間相互吸引粘結緊密等。它是一種價廉物美，較早投入批量生產的濕敏元件，在濕度測量和濕度控制方面都有大量應用。
金屬氧化物陶瓷濕敏元件 將極其微細的金屬氧化物顆粒在高溫1300℃下燒結，可制成多孔體的金屬氧化物陶瓷，在這種多孔體表面加上電極，引出接線端子就可做成陶瓷濕敏元件。濕敏元件使用時必須裸露于測試環境中，故油垢、塵土和有害于元件的物質(氣、固體)都會使其物理吸附和化學吸附性能發生變化，引起元件特性變壞。而金屬氧化物陶瓷濕敏元件的陶瓷燒結體物理和化學狀態穩定，可以用加熱去污方法恢復元件的濕敏特性，而且燒結體的表面結構極大地擴展元件表面與水蒸氣的接觸面積，使水蒸氣易于吸著和脫去，還可通過控制元件的細微構造使物理性吸附占主導地位，獲得最佳的濕敏特性。因此陶瓷濕敏元件的使用壽命長、元件特性穩定，是目前最有可能成為工程應用的主要濕敏元件之一。陶瓷濕敏元件的使用溫度為0～160℃。
在諸多的金屬氧化物陶瓷材料中，由鉻酸鎂－二氧化鈦固溶體組成的多孔性半導體陶瓷是性能較好的濕敏材料，它的表面電阻率能在很寬的范圍內隨著濕度的變化而變化，而且能在高溫條件下進行反復的熱清洗，性能仍保持不變。圖3鉻酸鎂-二氧化鈦陶瓷濕敏元件結構為這種陶瓷濕敏元件結構。
熱敏電阻式濕度傳感器 利用熱敏電阻作濕敏元件。傳感器中有組成橋式電路的珠狀熱敏電阻R1和R2,電源供給的電流使R1、R2保持在200℃左右的溫度（圖4 熱敏電阻式濕度傳感器原理）。其中R2裝在密封的金屬盒內，內部封裝著干燥空氣，R1置于與大氣相接觸的開孔金屬盒內。將R1先置于干燥空氣中，調節電橋平衡，使輸出端A、B間電壓為零，當R1接觸待測含濕空氣時，含濕空氣與干燥空氣產生熱傳導差，使R1受冷卻，電阻值增高，A、B間產生輸出電壓，其值與濕度變化有關。熱敏電阻式濕敏傳感器的輸出電壓與絕對濕度成比例，因而可用于測量大氣的絕對濕度。傳感器是利用濕度與大氣導熱率之間的關系作為測量原理的，當大氣中混入其他特種氣體或氣壓變化時，測量結果會有程度不同的影響。此外，熱敏電阻的位置對測量也有很大影響。但這種傳感器從可靠性、穩定性和不必特殊維護等方面來看，很有特色，現已用于空調機濕度控制，或制成便攜式絕對濕度表、直讀式露點計、相對濕度計、水分計等。
紅外線吸收式濕度傳感器 利用水蒸氣能吸收某波段的紅外線制成的濕度傳感器。60年代中期，美國氣象局以波長為1.37微米和1.25微米的紅外光分別作敏感光束和參考光束，研制成紅外線吸收式濕度傳感器。這種傳感器采用裝有□□濾光片和□ 濾光片的旋轉濾光片，當光源通過旋轉濾光片時，輪流地選擇波長為□□和□ 的紅外光束,兩條光束通過被測濕度的樣氣抵達光敏元件,由于波長為□□的光束不被水蒸氣吸收，其光強仍為I0，波長為□ 的光束被水蒸氣部分吸收，光強衰減為I（圖5紅外線吸收式濕度傳感器原理）。采用朗伯－貝爾法測量：
□式中I0為光源光強度，I為光敏元件處的光強度，□為吸收系數,□為待測含水蒸氣的濃度,□為光路長度。根據光強度的變化，將光敏元件上的信號處理后可獲得正比于水蒸氣濃度 □的電信號。紅外線吸收式濕度傳感器屬非水分子親和力型濕敏元件，測量精度和靈敏度較高，能夠測量高溫或密封場所的氣體濕度，也能解決其他濕度傳感器不能解決的
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